山西省中部引黃輸水工程巖爆問題評價

趙 宇

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原 030024）

工程區(qū)位于山西省西部，西鄰黃河，東靠呂梁，北起忻州市保德縣，縱貫呂梁市，南至臨汾市隰縣、汾西縣。中部引黃輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線。本工程存在巖爆、巖溶、放射性等問題，現(xiàn)主要評價一下巖爆對該項目的影響。

1 巖爆現(xiàn)象及分級判別標(biāo)準(zhǔn)

巖爆是巖體中聚積的彈性變形能在地下工程開挖期間忽然猛烈地釋放，使巖石爆裂并彈射出巖塊的現(xiàn)象。巖爆是巖體在高地應(yīng)力下的一種破壞形式，是由于洞室的開挖，改變了巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖應(yīng)力重新分配的結(jié)果。從很多實際工程中觀測得知，高地應(yīng)力不是巖爆發(fā)生的唯一條件，尚與圍巖儲存彈性應(yīng)變能的能力以及圍巖變形速度等因素有關(guān)。巖爆具有以下特征：（1）圍巖應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度相比，在較低比值的情況下即可出現(xiàn)巖爆；(2)巖爆發(fā)生在新鮮、完整及較硬的巖石中；（3）巖爆一般發(fā)生在洞室開挖后數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)，也有持續(xù)一至幾個月以后逐漸減弱或停止的。一般而言，比較激烈的巖爆多發(fā)生在開挖后數(shù)小時內(nèi)。

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50487-2008）附錄Q巖爆判別，對沿線隧洞可能發(fā)生的巖爆問題進(jìn)行分析及判別。巖爆分級及判別標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 巖爆分級及判別標(biāo)準(zhǔn)表

2 可能發(fā)生巖爆的深度判別

據(jù)鉆孔地應(yīng)力測試孔的位置，進(jìn)行巖爆分析時，總干1號、2號、3號隧洞（大武以北）可暫用郝家溝鉆孔的地應(yīng)力資料；總干4號隧洞、東干、西干及支線隧洞暫用南大井鉆孔地應(yīng)力測試結(jié)果。

2.1 大武以北

由巖爆特點可知，可能發(fā)生巖爆的巖石為硬質(zhì)巖，硬質(zhì)巖為單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的巖石。大武以北涉及1號、2號、3號隧洞，隧洞沿線涉及的硬質(zhì)巖類主要有：奧陶系（O）灰?guī)r、白云巖；寒武系（C）白云巖、灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r；震旦亞界長城系漢高山群（Zchn）、下元古界黑茶山群（Pth）、太古界界河口群（Ar2a）變質(zhì)不等粒石英砂巖、礫巖、變質(zhì)石英砂巖、條帶狀斜長角閃巖、不等粒黑云微斜長石片麻巖等。

經(jīng)試驗統(tǒng)計，奧陶系硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為56.7MPa；；震旦亞界、下元古界、太古界硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為50.4MPa。寒武系無硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗資料，采用大武以南的平均值為58.4MPa。

各巖性巖爆分級見表2，奧陶系地層硬質(zhì)巖段隧洞埋深小于135m時，巖體不會產(chǎn)生巖爆；隧洞埋深在135～360 m時，巖體可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）；隧洞埋深在360～640 m時，巖體可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。寒武系地層硬質(zhì)巖段隧洞埋深小于135m時，巖體不會產(chǎn)生巖爆；隧洞埋深在135～380 m時，巖體可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）；隧洞埋深在380～640 m時，巖體可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。變質(zhì)巖硬質(zhì)巖段隧洞埋深小于135m時，巖體不會產(chǎn)生巖爆；隧洞埋深在135～300 m時，巖體可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）；隧洞埋深在300～640 m時，巖體可能發(fā)生中等巖爆（Ⅱ級）。

總體看，單從巖石強(qiáng)度應(yīng)力比考慮，大武以北段隧洞埋深在300～380 m以下時，巖體可能發(fā)生中等巖爆（Ⅱ級）。

根據(jù)上述結(jié)果可知，從巖石強(qiáng)度應(yīng)力比考慮，1號隧洞、2號隧洞一般不會產(chǎn)生巖爆，局部地段可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）。3號隧洞局部可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。

表2 不同巖性巖爆分級統(tǒng)計表

2.2 大武以南、以東

大武以南、以東涉及4號隧洞、東干、西干及支線隧洞，隧洞沿線涉及的硬質(zhì)巖類主要有：奧陶系（O）灰?guī)r、白云巖；寒武系（C）白云巖、灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r；太古界呂梁山群（Ar3）黑云斜長片麻巖、變斜長角閃巖、混合片麻巖、斜長角閃巖；長城系(Zchh)石英砂巖、礫巖。經(jīng)試驗統(tǒng)計，奧陶系硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為52.3MPa；寒武系硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為58.4MPa；震旦亞界、下元古界、太古界硬質(zhì)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為56.3MPa。各巖性巖爆分級見表3，奧陶系地層硬質(zhì)巖段隧洞埋深小于180 m時，巖體不會產(chǎn)生巖爆；隧洞埋深在180～420 m時，巖體可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）；隧洞埋深在420～700 m時，巖體可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。寒武系地層硬質(zhì)巖及變質(zhì)巖段隧洞埋深小于220 m時，不會產(chǎn)生巖爆；隧洞埋深在220～504m時，巖體可能發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）；隧洞埋深在504～700 m時，巖體可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。

根據(jù)上述結(jié)果可知，4號隧洞局部地段可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)，其余地段巖體可能不產(chǎn)生巖爆或僅發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）。東干、西干局部地段可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)，其余地段巖體可能不產(chǎn)生巖爆或僅發(fā)生輕微巖爆（Ⅰ級）。

表3 不同巖性巖爆分級統(tǒng)計表

3 考慮地下水情況判別

因地下水可弱化巖體的彈脆性，故巖爆一般產(chǎn)生于無地下水的地區(qū)，故隧洞穿越地下水以下段時，一般不發(fā)生巖爆，但需考慮以下情況，一是該段的地下水位雖位于洞頂以上，但二者間有較可靠隔水層相隔，隧洞開挖不涉及地下水的情況（如：石炭系地層的泥頁巖、奧陶系地層的泥灰?guī)r）；二是過變質(zhì)巖段，由于變質(zhì)巖透水性一般微弱，洞頂以上變質(zhì)巖較厚時（＞100m考慮），也可能出現(xiàn)隧洞開挖無水。

結(jié)合隧洞埋深及地下水情況，局部地段巖體可能發(fā)生中等巖爆(Ⅱ級)。

4 考慮巖體完整性進(jìn)行判別

巖體的結(jié)構(gòu)類型是影響巖爆發(fā)生與否的重要條件之一，巖體結(jié)構(gòu)為整體結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造等完整性比較好的巖體，巖體干燥，圍巖穩(wěn)定，強(qiáng)度高，裂隙不發(fā)育等，這些條件有利于彈性應(yīng)變能的儲藏。相反，巖體破碎，儲藏在這些介質(zhì)中的彈性應(yīng)變能沿著裂隙面等結(jié)構(gòu)面早就釋放了，這類圍巖一般不發(fā)生巖爆。根據(jù)沿線鉆孔RQD值判斷沿線圍巖巖體完整性情況，大武以北，隧洞圍巖巖體分類屬極差～差，大武以南、以東圍巖巖體分類屬較差～較好，局部圍巖巖體分類屬好。但由于線路上勘探點有限，僅用鉆孔RQD值判斷可能產(chǎn)生一定偏差。

5 結(jié)論

經(jīng)綜合分析，工程沿線隧洞最大可能產(chǎn)生的巖爆級別為中等巖爆(Ⅱ級)，可能發(fā)生中等巖爆的地段為東干及西干內(nèi)埋深大且不受地下水影響的洞段，總干3號洞內(nèi)埋深大且不受地下水影響的洞段也不能完全排除發(fā)生中等巖爆的可能。